PO6013微尺度流动与传热-SJTU

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《微尺度流动与传热》课程教学大纲
课程名称：微尺度流动与传热
课程代码：PO6013
学分/学时：3学分/48学时
开课学期：春季学期
适用专业：工程热物理、热能动力工程、制冷与低温工程、核科学与工程、航空航天工程
先修课程：工程热力学，流体力学，传热学
后续课程：无
开课单位：机械与动力工程学院
一、课程性质和教学目标（需明确各教学环节对人才培养目标的贡献，专业人才培养目标中的知识、能力和素质见附表）
课程性质：微尺度流动与传热学是近些年传热学领域形成的一个新的学科分支。

当尺度微细化后，其流动和传热的规律已经明显不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，出现了流动和传热的尺度效应。

同时，微尺度还包括时间尺度上的微细。

本课程就微尺度流动与传热的尺度效应开展讲解和探讨，对其物理机制展开分析。

主要内容包括微尺度的多相流，沸腾和凝结换热，以及微尺度换热器加工、设计和性能分析等。

其中将相变传热中的微尺度传热问题分为两大类：一是常规尺度沸腾或凝结中存在的微细尺度传热问题：如汽泡、液滴的成核和相变过程中的微液膜换热等等。

另一类是当容器或通道尺寸缩小至与成核临界直径具有同一量级时，相变及其换热规律的变化。

教学目标：本课程的目的在于使研究生了解国际传热界的最新研究成果，培养学生的创新意识。

在讲授求解微尺度流动与传热问题的方法时，强调对传热现象物理机制的分析，训练学生从工程或科研的实际问题中抽象概括出典型微尺度传热问题的能力。

通过本课程学习，使学生进一步掌握传热学的基本规律，并能运用这些规律进行基本热学过程分析。

掌握空间微尺度和时间微尺度条件下的流动和传热科学的核心问题，具有正确分析和提高系统传热效率的能力。

二、课程教学内容及学时分配（含实践、自学、作业、讨论等的内容及要求）
1. 微尺度传热学的发展（4学时/课堂教学）
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内容：20世纪60年代，以田长霖教授为代表的热物理学家开始注意到工程中传热问题的尺寸效应，于是微尺度传热学逐渐兴起，并于80年代后期得到迅速发展。

微尺度下的流动及传热科学覆盖的领域包括：液体薄膜、光学器件、超导器件、芯片冷却装置、微电子机械系统、生物芯片、热传感器等。

掌握：掌握微尺度的定义，微尺度传热学的发展，了解典型的微热器件及微尺度下的热现象。

2. MEMS加工工艺（4学时/专题讲座+1学时/讨论）
内容：随着集成电路工艺的发展，微机电系统(MEMS) 加工工艺得到蓬勃发展。

MEMS加工主要指微结构的硅和非硅表面加工和体加工技术，其实现工艺分为传统机械加工手段、利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅基材料进行加工、LIGA （即光刻、电铸和塑铸）技术等。

掌握：熟悉微机电元件的加工方法，了解硅基表面的微结构设计和刻蚀加工工艺，掌握表面微结构的显微观测方法。

3. 微通道中的单相流动及换热（6学时/课堂教学）
内容：探讨微通道内的流体在层流状态和等热流边界条件下的单相流动与传热特性，分析微通道中的液体在低雷诺数下的单相流动与换热特性，包括摩擦系数、压降、努谢尔特数等参数，并与传统理论结果进行对比。

气体的可压缩性和稀薄效应，滑移边界条件。

掌握：流动（气体）的可压缩效应；克努森数的定义；表面粗糙度的影响；表面力的作用；微通道内轴向导热效应；测量精度。

4. 微通道中的两相流及多相流（6学时/课堂教学）
内容：在微通道中气/液或液/液两相流通常为层流，流线具有高度可控性，为生成可控的微气泡/液滴提供了必要条件。

离散相与连续相交汇处的流场，引起气/液或液/液界面的变形。

界面的不稳定性，导致气泡/液滴与离散相的脱离。

掌握：微通道的几何结构对两相流流型的影响，微通道结构中微气泡/液滴的形成和断裂等动力学行为的产生机理及其影响因素。

5. 微尺度下的沸腾换热（8学时/课堂教学+2学时/实验+1学时/讨论）
内容：微通道中的流动沸腾换热以及汽泡动力学是近年来的研究热点。

微尺度下的流动沸腾换热受限于尺寸效应，呈现出与常规尺度通道不一样的流型，汽/液界面的不稳定性，流动沸腾的温度和压力呈现出周期性的震荡。

掌握：芯片微通道中流动沸腾的压降、换热系数、CHF等特性的变化规律；了解沸腾不稳定性的特征及其机理；汽泡的成核、成长以及在不同参数条件下的动态特性。

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6. 微尺度下的凝结换热（8学时/课堂教学+2学时/实验+1学时/讨论）
内容：揭示微通道内流动凝结换热的机理为目标，以流型、压降和换热特性为教学重点，对微通道内蒸汽流动凝结特性进行实验研究和理论分析。

掌握：对微通道内蒸汽凝结换热特性及机理的理解，有助于微冷凝器的开发以及优化设计。

7. 微通道换热器（4学时/专题讲座+1学时/讨论）
内容：包括微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。

微型换热器最实际的应用是在微电子器件的冷却上。

从微电子微机械高效传热、CO2制冷减少温室气体排放和提高家用空调能效比几个方面展现大尺度微通道换热器的应用前景。

用于微电子芯片冷却的微通道换热器按结构主要有平行微通道热沉、树型微通道热沉（T型、H型等仿生学结构）以及微结构肋片强化换热表面。

掌握：微通道换热器的传热特征、优势及发展的主要瓶颈，以及大尺度微通道换热器的关键技术，了解微通道热沉的换热优化设计原理。

8. 微尺度下的电水动力学EHD（6学时/课堂教学）
内容：微尺度下的EHD现象主要包括流体的电渗(Eiectroosmosis)流动、粒子的电泳(Eletrophoresis)分离，以及在进行这些操作的过程中，由于电场的作用在操作溶液中伴随出现的焦耳热效应(Joule heating effect)。

掌握：电水动力学中的相关概念，电水动力学的相关理论，了解电水动力学当前的应用热点、未来的应用前景以及目前影响其推广的瓶颈。

三、教学方法
本课程的学习一周需要4小时左右，学生需要尽可能参加所有的课程并参加上课时的讨论，并尽可能通过文献检索和阅读掌握该领域最新的研究动态。

教学形式：
1.普通授课
2.实验参观及实践
3.专题讲座及讨论
学习形式：
1.参与课堂讨论
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2.文献检索及阅读
3.实验实践及实验报告
4.作业
实验实践：
根据最新的研究现状设置两次实验，分别是“微通道内的流动沸腾换热”和“微通道内的流动冷凝换热”。

通过实践锻炼学生的实验操作能力，掌握微尺度下实验观测的基本方法，培养学生对微尺度流动及传热理论产生直观的认知。

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四、考核及成绩评定方式
课程得分比例如下：
出席
学生在课堂上的表现，包括出席、讨论、课堂练习和表现。

课堂出席的得分，将取决于课堂中学生的讨论等等。

评价课堂出席情况的准则：
1.出席率、迟到或早退情况；
2.是否很好地倾听课程；
3.能否很好地提出问题或回答老师的问题；
4.是否积极的参与课堂讨论，并发表适当的意见。

讨论
鼓励学生针对课堂内容进行预习，并针对提出的问题进行课堂讨论，以加深对要点内容的理解。

预定的题目包括：“表面亲疏水性对沸腾换热的提高”，“如何提高滴状冷凝的换热效率”，“微通道热沉的流动及散热性能优化”，以及任何学生感兴趣的相关内容。

实验
积极参与实验操作，熟悉微通道实验观测的基本方法，得到预期的实验结果，并撰写规范的实验报告。

作业
期中作业：根据专题内容，选择该领域内最新的一篇或几篇英文期刊论文，进行阅读和翻译，并撰写PPT进行课堂报告。

期末作业：根据课程内容，选取感兴趣的一项课题，阅读相关文献，撰写一篇综述性中文论文（要求引用的英文参考文献不少于5篇）。

五、教材及参考书目
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《微米/纳米尺度传热学》《微纳流动理论及应用》《微加工导论》刘静著林建忠著Sami Fransslia 著
科学出版社科学出版社电子工业出版社
补充阅读（英文专著）：
HEAT TRANSFER AND FLUID FLOW IN MICROCHANNELS / Gina Piero Celata -- (Series in Thermal & Fluid Physics & Engineering)，ISBN 1-56700-208-0
补充阅读（英文期刊）：
Microscale Thermophysical Engineering
Journal of Microelectromechanical System
J. Micromech. Microeng.
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